“松科二井”用硬巖長壽命鉆頭的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李 春，沈立娜

(北京探礦工程研究所，北京 100083)

1 概述

“松科二井”將是全球第一口鉆穿白堊紀(jì)陸相地層的大陸科學(xué)鉆探井，其設(shè)計(jì)井深為6400 m，為ICDP迄今為止所資助項(xiàng)目之最深科學(xué)鉆探井，也是我國目前第一深的科學(xué)鉆探井。松遼盆地大陸科學(xué)鉆探工程的實(shí)施，將獲取大約4500 m的關(guān)鍵巖心。它與2007年10月完成的松科一井，將實(shí)現(xiàn)“兩井四孔、萬米連續(xù)取心”，構(gòu)成全球首個近乎完整的白堊紀(jì)陸相沉積記錄，從而獲取白堊紀(jì)時期亞洲東部高分辨率氣候環(huán)境變化記錄。同時，也為大慶油田可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究將把傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)百萬年的時間分辨率提高到萬年的尺度，進(jìn)而為預(yù)測未來全球時間尺度氣候變化趨勢提供更為科學(xué)的依據(jù)[1]。

“松科二井”鉆探深度達(dá)到6400 m，將穿過營城組、沙河子組、火石嶺組等地層，該地層巖性為酸性火山巖夾少量粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)巖及煤線，為火山噴發(fā)相及其間歇期形成的河湖相沉積?，F(xiàn)有的普通金剛石鉆頭在4500～5000 m鉆進(jìn)過程中進(jìn)尺緩慢，進(jìn)尺效率約0.5 m/h，浪費(fèi)了大量的時間和資源，同時也增加了鉆探工程風(fēng)險。

針對以上情況，我單位研制了“松科二井”用硬巖長壽命鉆頭，采用了高性能胎體材料，高強(qiáng)度焊接材料，以保證鉆頭在井內(nèi)惡劣環(huán)境下的強(qiáng)度與壽命；采用了合理的鉆頭結(jié)構(gòu)與水路結(jié)構(gòu)，保證了鉆頭的鉆進(jìn)效率；并在“松科二井”進(jìn)行了試驗(yàn)，取得了良好的效果。

2 鉆頭的設(shè)計(jì)

2.1 巖石室內(nèi)試驗(yàn)

為了了解“松科二井”地層的特性，我們對“松科二井”鉆探現(xiàn)場取得的巖樣(見圖1、圖2)進(jìn)行了室內(nèi)分析和實(shí)驗(yàn)。

圖1 “松科二井”巖石樣品

圖2 加工后的巖樣

2.1.1 巖樣分析

巖石樣品經(jīng)顯微鏡觀察分析結(jié)果如下。

(1)礦物成分及含量。碎屑物：石英10%，長石15%，黑云母5%，巖屑30%；膠結(jié)物：粘土礦物35%，碳質(zhì)物5%。

(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)造。凝灰質(zhì)細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，微層狀構(gòu)造。

(3)特征描述。巖石為凝灰質(zhì)長石巖屑細(xì)砂巖，主要由細(xì)巖屑、長石、石英細(xì)砂粒和泥質(zhì)膠結(jié)物組成，其中混有少量長英質(zhì)晶屑，具凝灰質(zhì)細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，微層狀構(gòu)造；砂粒呈次棱角狀、次圓狀，粒徑0.06～0.3 mm，巖屑成分為粉砂巖和泥巖，呈碎屑狀，粒徑0.2～0.5 mm。晶屑呈棱角狀、熔蝕狀，表面碎裂紋發(fā)育，粒徑大小與砂粒相似。黑云母呈碎片狀、長條狀，具定向分布。膠結(jié)物主要是粘土礦物，具隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。其中分布細(xì)紋層狀碳質(zhì)物，構(gòu)成微層理構(gòu)造，見圖3顯微照片。

圖3 凝灰質(zhì)長石巖屑細(xì)砂巖正交偏光照片

依據(jù)巖石中礦物組成和組構(gòu)特征，結(jié)合標(biāo)本觀察，該巖石鏡下鑒定結(jié)果為凝灰質(zhì)長石巖屑細(xì)砂巖。

2.1.2 巖樣實(shí)驗(yàn)

采用綜合分級法對制備的巖樣進(jìn)行了可鉆性分級：

K=3.198+0.008854Hy+0.002578HN

(1)

式中：K——巖石可鉆性等級；Hy——壓入硬度值,kg/mm2；HN——擺球彈跳次數(shù)[2]。

利用巖石壓入硬度計(jì)測試巖樣的壓入硬度，擺球硬度計(jì)測試巖樣的擺球彈跳次數(shù)，代入式(1)計(jì)算巖石的可鉆性等級，具體數(shù)值及巖樣物理性質(zhì)為：凝灰質(zhì)長石巖屑細(xì)砂巖，壓入硬度272.8 kg/mm2，擺球彈跳20.1次，可鉆性6～7級。

2.1.3 巖樣分析測試結(jié)論

由以上巖石成分及物理性質(zhì)可以看出，巖樣的壓入硬度及可鉆性都不高，不是非常難鉆進(jìn)的巖石，但是由于“松科二井”井深深達(dá)5000 m以上，井底的工況不同于淺層鉆進(jìn)，非常復(fù)雜，地表的動力很難有效地傳達(dá)到井底，導(dǎo)致井底的碎巖效率低，表現(xiàn)為進(jìn)尺慢、鉆頭磨損嚴(yán)重。針對這種情況，我們對鉆頭的胎體材料、焊接材料及鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，優(yōu)選高強(qiáng)度的胎體材料及焊接材料，提高鉆頭對“松科二井”深井復(fù)雜工況的適應(yīng)性；重新設(shè)計(jì)鉆頭端面結(jié)構(gòu)，保證鉆頭的進(jìn)尺效率及壽命，研制適用于“松科二井”硬巖長壽命鉆頭。

2.2 高性能胎體材料的實(shí)驗(yàn)

選用4種強(qiáng)度較好的胎體材料，編號R1～R4，燒制實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)塊，進(jìn)行胎體材料性能實(shí)驗(yàn)，包括表面洛氏硬度、抗沖擊實(shí)驗(yàn)、抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)及胎體耐磨實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 表面洛氏硬度實(shí)驗(yàn)

采用熱壓法制備?30 mm×5 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；表面用80號砂紙打磨，除去粘結(jié)的石墨，直至試樣表面平整并呈現(xiàn)金屬光澤。利用全洛氏硬度計(jì)對式樣進(jìn)行洛氏硬度測試(HRC)，每個試塊測5個點(diǎn)，取平均值；每種材料測3塊，取平均值為該材料的表面洛氏硬度。具體數(shù)值見表1。

表1 不同胎體材料物理性能

2.2.2 抗沖擊實(shí)驗(yàn)

采用熱壓法制備10 mm×10 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；表面用80號砂紙打磨，除去粘結(jié)的石墨，直至試樣表面平整并呈現(xiàn)金屬光澤。利用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)，擺錘沖斷試樣并指示沖擊值后，對擺錘進(jìn)行制動，記錄數(shù)值，每種材料測3塊，取平均值。沖擊后的試樣如圖4，具體抗沖擊韌性數(shù)值見表2。

圖4 抗沖韌性擊試驗(yàn)塊

2.2.3 抗彎強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

采用熱壓法制備5 mm×5 mm×30 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；表面用80號砂紙打磨，除去粘結(jié)的石墨，直至試樣表面平整并呈現(xiàn)金屬光澤。將試樣放置于胎體抗彎強(qiáng)度測試夾具中部，如圖5所示，利用100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行測試，待抗彎試樣壓斷后，記錄數(shù)值，每種材料測試4個試樣，取平均值。具體抗彎強(qiáng)度見表2。

1—硬質(zhì)合金上壓塊；2—抗彎試樣；3—支點(diǎn)；4—下壓塊底座；5—上壓板；6—導(dǎo)桿；7—彈簧；8—底座

圖5胎體抗彎強(qiáng)度測試夾具

2.2.4 胎體耐磨實(shí)驗(yàn)

采用熱壓法制備?6 mm×8 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣；將試樣夾緊于耐磨試驗(yàn)機(jī)的卡頭上進(jìn)行初磨，直至試樣被磨端面全部與砂紙均勻接觸，將初磨后的試樣用無水酒精或丙酮擦洗干凈，放入干燥箱中，烘干30 min。利用耐磨試驗(yàn)機(jī)對初磨后的試樣進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，具體操作過程如下：

(1)將烘干的試樣放在精度0.1 mg電子天平上稱重為W1；

(2)將試樣固定在耐磨試驗(yàn)機(jī)卡頭上，試樣與回轉(zhuǎn)盤上標(biāo)準(zhǔn)砂紙接觸；

(3)裝有標(biāo)準(zhǔn)砂紙的轉(zhuǎn)盤以120 r/min的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)；

(4)試樣在標(biāo)準(zhǔn)砂紙上做前進(jìn)或后退運(yùn)動，行程7.5 cm后設(shè)備自動停止；

(5)從卡頭上卸下耐磨試樣，進(jìn)行清洗和烘干(在干燥箱中，溫度75 ℃，烘干1 h)，冷卻至常溫；

(6)將烘干后并冷卻的樣品放在精度0.1 mg電子天平上進(jìn)行稱重W2；

(7)按公式(2)計(jì)算試樣的磨耗率ML：

(2)

式中：ML——磨耗率；WO——試樣檢測前后的質(zhì)量差，g；d——試樣直徑，cm；s——試樣的摩擦行程，cm；γ——試樣的密度，g/cm3。

每種材料測試3個試樣，取平均值。具體耐磨性見表2。

2.2.5 測試結(jié)果

通過以上實(shí)驗(yàn)分別得出R1～R4的表面洛氏硬度、抗沖擊韌性、抗彎強(qiáng)度與耐磨性，由表1可見，R4材料的性能最好，測試的性能均優(yōu)于其他材料，故選取R4為制作硬巖長壽命鉆頭的胎體材料。

2.3 高強(qiáng)度焊接材料實(shí)驗(yàn)

選用幾種強(qiáng)度較高的焊接材料，編號為H1～H4，其中H1是常規(guī)使用的焊料，為對比實(shí)驗(yàn)；以R4為焊接基材，以45鋼為焊接母材，通過使用不同材料的焊料，測試相應(yīng)的焊接強(qiáng)度，優(yōu)選出適合焊接基材與母材的高強(qiáng)度焊接材料。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

依照《燒結(jié)雙金屬材料剪切強(qiáng)度的測定方法》(YS/T 485—2005)的剪切實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行焊接強(qiáng)度測試，模型如圖6所示。

2.3.2 試樣制備

采用熱壓法制備R4材料的基材標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm；用80號砂紙打磨試樣表面，除去粘結(jié)的石墨，直至試樣表面平整并呈現(xiàn)金屬光澤；加工45鋼母材標(biāo)準(zhǔn)試樣，尺寸為10 mm×10 mm×50 mm；用無水酒精或丙酮擦洗2種材質(zhì)的試樣，以清除油漬和氧化物；采用氣焊方式焊接，分別以H1～H4為焊接材料，將基材和母材焊接為一體，如圖7所示。

圖6 焊接實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖7 測試前后的焊接強(qiáng)度試塊

2.3.3 測試結(jié)果

利用100 kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)對制備的試樣進(jìn)行焊接強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，沿豎直方向施加壓力，直至基材和母材被剪切分開，記錄剪切強(qiáng)度，每種焊接材料測試3個試樣，取平均值，即為該材料的焊接強(qiáng)度，具體數(shù)值見表2。

表2 不同焊接材料與R4胎體焊接強(qiáng)度

由表3可知，H2焊料與R4胎體焊接強(qiáng)度最高，比常規(guī)焊料H1的焊接強(qiáng)度提高了60%左右，故選取H2為焊接硬巖長壽命鉆頭的焊接材料。

2.4 鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高巖心采取率，“松科二井”現(xiàn)場采用雙管取心鉆具、提鉆取心的方式鉆進(jìn)，巖心筒長約30 m，故最長每30 m需提鉆一次，這種取心工藝下，鉆頭壽命不再是影響鉆進(jìn)效率的主要因素，鉆頭的機(jī)械鉆速則顯得比較重要，設(shè)計(jì)鉆頭的主要目標(biāo)是提高機(jī)械鉆速，解決現(xiàn)場鉆探效率低的問題。

“松科二井”井深達(dá)5000多米，地層致密，為了提高鉆進(jìn)效率采用螺桿為井下動力，由于螺桿的特性限定了泵的排量(30～35 L/s)，鉆頭考慮減小切削面積，增大過水面積，采用寬水路的設(shè)計(jì)；這樣不但可以提高鉆進(jìn)效率，還保證了鉆頭端面過水通暢，及金剛石的充分冷卻。

在上述思路的指導(dǎo)下，我們設(shè)計(jì)了異形端面鉆頭：減小鉆頭端面切削塊的長度，用1～2塊交錯覆蓋鉆頭端面，從而減小鉆頭端面的接觸面積，研制的異形鉆頭如圖8所示。

3 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

異形鉆頭在“松科二井”進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，平均機(jī)械效率為0.6～0.7 m/h，比現(xiàn)場上一回次使用的鉆頭提高了10%～15%，進(jìn)尺24.07 m后由于堵心提鉆。鉆頭提出孔口后，觀察發(fā)現(xiàn)：由于采用2塊與1塊交錯覆蓋的方案，導(dǎo)致鉆頭胎塊不同步磨損，重合覆蓋的部分磨損量小，單塊覆蓋的部分磨損量大,磨損示意見圖9。剩余壽命無法滿足下一回次鉆進(jìn)需要(30 m)，不再下井使用。

圖8異形鉆頭端面照片圖9異形鉆頭端面磨損示意

異形鉆頭雖然沒有取得預(yù)想的效果，但是驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的正確性：“松科二井”深達(dá)5000多米的復(fù)雜工況下，減小切削面積，增大過水面積，可以提高鉆進(jìn)效率。由于鉆頭胎塊不同步磨損，導(dǎo)致壽命較短，僅為24.07 m，下步工作改進(jìn)鉆頭端面設(shè)計(jì)，保證鉆進(jìn)效率的情況下，盡量使鉆頭同步磨損，以提高鉆頭壽命。

4 鉆頭的改進(jìn)

現(xiàn)場使用的普通扇形塊鉆頭，在壽命方面表現(xiàn)良好，可以達(dá)到80 m左右，只是鉆進(jìn)效率偏低(0.5 m/h左右)，所以考慮在普通扇形塊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，以提高鉆進(jìn)效率。

在扇形塊的中部加底噴眼，以及與底噴眼相連通的底水路與外水路，使得單個孕鑲塊類似字母U形，這種U形塊相對于普通扇形塊，優(yōu)點(diǎn)在于減小鉆頭唇面面積，提高鉆速；增加過水面積，保證過水的通暢，及金剛石層的冷卻；防止孕鑲塊中部形成泥墊，影響鉆進(jìn)效率。鉆頭的平面布置如圖10所示。

圖10 鉆頭唇面布置圖

U形塊采用高品級35～40目人造金剛石，95%的金剛石濃度，熱壓工藝燒結(jié)成型，用高強(qiáng)度焊料焊接到加工好的鋼體上。這種加工工藝由于不需要傳統(tǒng)的高溫?zé)Y(jié)，可以降低制作成本，減少加工周期；并且減少金剛石的熱損傷，保證一定的壽命和鉆進(jìn)效率。內(nèi)外焊接無壓燒結(jié)的聚晶塊保徑，以保證長時間鉆進(jìn)時的鉆孔直徑及巖心直徑。

5 改進(jìn)后的效果

改進(jìn)后的硬巖長壽命鉆頭在“松科二井”四開井段(?216/124 mm)5258.16～5369.64 m進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，取得了良好的效果，成品照片見圖11，出井照片見圖12，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖11 硬巖長壽命鉆頭入井前照片

圖12 硬巖長壽命鉆頭出井后照片

表3 鉆頭(金剛石鉆頭)使用效果對比

由表3可見，改進(jìn)后的硬巖長壽命鉆頭較普通鉆頭，壽命提高50%，單只鉆頭鉆進(jìn)最高可達(dá)約150 m；效率提高40%～50%，最高可達(dá)1 m/h，得到了現(xiàn)場人員的一致好評。

6 結(jié)論

(1)硬巖長壽命鉆頭選用高性能胎體材料、高強(qiáng)度焊接材料，以及合理的鉆頭結(jié)構(gòu)與水路結(jié)構(gòu)，適用于“松科二井”這種深井硬巖地層鉆進(jìn)，壽命及效率較普通金剛石鉆頭均有提高，有利于節(jié)約鉆井成本。

(2)硬巖長壽命鉆頭采用熱壓塊焊接的制作工藝，較普通無壓燒結(jié)的金剛石鉆頭制作工藝簡單，成本有所降低，適合推廣應(yīng)用，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

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